功率分析仪高精度测量的注意事项

一、概述

       功率测量用于测量电气设备消耗的功率，广泛应用于家用电器、照明设备、工业用机器、储能等研究开发或生产线等领域中，要想精准的测量被测量，一个好的测量方法和一台高精度的测量仪器同样重要，目前主流的仪器是功率分析仪。

二、测试目标

（1）提高产品的能源效率——即使是小数点后几位——对制造商来说既是一个重要目标，也是一个重大挑战。

（2）为了验证效率的微小改进，研发团队需要了解其功率分析仪的总体准确度或不确定性。

（3）作为制造商，重要的是了解影响仪器不确定度的所有因素。

（4）在考虑功率精度时，评估不仅要考虑基本参数，还要考虑峰值因数、相位角误差、温度范围、预热时间、稳定期和共模抑制等其他因素。

三、精度

1、仪器的精度是测量值与真值的接近程度，通常用相对百分比来表。

2、仪器制造商发布的规格通常包括“保证值"和“典型值"等术语。一些制造商在其发布的数据中使用典型值，这往往会误导客户。典型值通常是基于制造商对其产品期望的参考值，但这些值通常不能100% 保证。

3、峰值因数的影响

（1）峰值因数的含义

（2）功率分析仪的峰值因数规格

       CF3表示：当前量程下，允许输入的信号峰值为有效值量程的3倍。并不是只能测量峰值因数为3的信号。

       以WT5000为例，设置为CF3时，信号有效的输入范围为量程的1%~130%

（3）当信号峰值超过功率分析仪允许的峰值时：

① 使用固定量程时，会显示超峰值错误，无法正确测量。

② 使用自动量程时，会自动切换到下一档量程，切换过程无法正确测量。

（4）对于功率分析仪，峰值因数在以下方面具有重要意义。 

① 峰值因数能够显示仪器对于畸变信号的正确测量能力。

② 正确测量输入信号的峰值因数，为评估输入信号的质量提供定量依据（电源行业等）。

③ 稳定测量高度失真的波形，如家用电器，防止频繁切换量程。

4、环境温度的影响

       影响功率分析仪精度的另一个因素是温度。 

（1）功率分析仪保证精度的温度范围为23°C ±5°C，即在18°C ~ 28°C温度范围内都可以保证精度。

（2）如果只有23°C ±2°C，即21°C ~ 25°C，测试现场的环境温度很难保证，会增加很大的不确定性。

（3）超出保证精度的温度范围，要在精度上增加相应的温度系数。

（4）如果在23°C±2°C时，精度为：±(读数的0.01%+量程的0.02%）。

（5）那么在23°C±5°C时，补偿了温度系数之后的精度为：±(读数的0.04%+量程的0.02%）。

5、预热对测量的影响

       对于高精度功率测量来说，预热是非常重要的步骤。

（1）开机后，测量之前，一般需要预热30分钟以上。

（2）预热之后，仪器内部温度达到稳定状态，元器件也进入稳定工作状态。

（3）预热之后需进行调零校准操作。

6、调零校准的必要性

（1）去除输入通道零漂和传感器偏移量是高精度测量的必要步骤。

① 当预热之后，或者长时间测量之后环境温度发生变化，会产生一定的零漂。

② 外部传感器的零点偏移量需要尽量去除。

（2）对于功率分析仪：

① 输入通道的校准(Cal)与是否接线无关，可以在测量过程中进行。

② 动态测试时，建议打开自动量程，减小量程误差，在量程切换时可自动调零。

③ 积分过程中可设定自定校准。

④ 对于电流传感器、扭矩转速传感器信号，在开始测量之前打开NULL功能，可以去除传感器的直流零漂。

7、带宽对测量的影响

       带宽是示波器的主要指标，是所谓的-3dB点，即：在输入端输入正弦波信号，如果采集到的幅值衰减到原始信号的70.7%（-3dB），那么这个正弦波的频率点就是示波器的带宽。

       功率计产品对幅值精度的要求远远高于示波器产品，必须有足够的带宽保证有效信号不被衰减。

8、采样率对测量的影响

       高采样率能够保证高频成分被尽可能完整地采集。对于类似SiC变频器这样的高频输出电压信号，必须要足够高的采样率才能计算出准确的电压有效值。

9、滤波器的作用

       滤波器是一种选频装置，可以使信号中特定的频率成分通过，而极大地衰减其他频率成分。利用滤波器的选频特性，可以滤除干扰噪声或进行频谱分析。例如：去除电源中的高频噪声。

       截止频率（Cutoff Frequency）： 指低通滤波器的通带右边频点，及高通滤波器的通带左边频点。通常以1dB或3dB相对损耗点来标准定义。

10、功率分析仪中滤波器的种类

（1）线路滤波器

       线路滤波器属于低通滤波器，会去除信号的高频成分（高频谐波成分），仅测量低频成分，会导致电压RMS，电流RMS等测量值发生变化，谨慎使用。

（2）频率滤波器

       频率滤波器又可称作零交叉滤波器，用于去除进入频率测量电路输入信号的高频分量，对测量的电压/电流波形没有直接影响，但对周期检测有影响。

11、滤波器对测量的影响

（1）功率分析仪一般可以同时进行常规测量和谐波测量。

① 常规测量：一般功率参数，包括电压、电流、功率等参数的有效值、平均值等。

② 谐波测量：对输入的电压电流信号进行傅里叶变换，获得基波和谐波等相关参数。

（2）常规测量和谐波测量对于滤波器的截止频率设定有不同的要求。

① 常规测量：要求滤波器的截止频率不能设置过低。

② 谐波测量：需要设置较低的截止频率，防止混淆现象发生。

（3）WT5000有两种类型的数字线路滤波器，用户可以单独设置截止频率。

（4）较高的截止频率设置用于常规测量，较低的频率设置用于谐波测量。

12、传感器的选择

（1）电流传感器：功率分析仪能保证功率精度达到“ 读数的0.05% + 量程的0.05%"，且直接测量5A以内的电流，当电流大于5A，应选择AC/DC电流传感器CT系列，通过使用专用连接线和分流器， 功率分析仪可以测量大电流，通过这种方式连接传感器， 可以提高信噪比和抗干扰度。当被测电流为高频脉冲信号，可以选用刚性罗氏线圈。

（2）电压传感器：由于功率分析仪的设计理念及构造要求，国内外功率分析仪供应厂家的电压输入均限制到了1500V。这对于一些电机应用、变频器应用、逆变器应用、储能领域会出现超过1500V的现象造成了巨大的困扰。之前部分公司提出了采用分压电阻的方式，但这种方案无法做到高频、高压下的高精度测试?？砥蹈哐狗盅蛊魇怯糜诮饩龈哐狗盅刮侍獾纳璞?，可以实现3.5KV、7KV、10KV及14KV的电压分压。同时依照功率分析仪的设计，分压器设备每一个型号均可配置不同的一个，两个或三个通道版本，以匹配特定的测量任务。